针对人们在提升重物中无法提供足够的力量,对可依附于人体的助力装置的迫切需求,提出了一种刚柔耦合的可穿戴式肘关节助力机构,为人体在提升重物过程中提供助力;解决目前传统的刚性机构笨重而不灵活,柔性机构在支撑人体质量方面有困难的问题。对机构的构型和特点进行了分析;基于螺旋理论进行了自由度计算,采用封闭矢量法进行了位置分析;运用Matlab绘制了柔索长度变化曲线图和柔索拉力变化图,得到了不同角度下的柔索长度值和拉力值;绘制了工作空间图,得到的工作空间内部连续,验证了运动学理论的正确性。该刚柔耦合肘关节助力机构运动性能良好,能够进行肘关节助力。

肘关节的设计和控制是仿人手臂的研究重点。为了得到肘关节的模型,首先搭建测试平台对单根气动肌肉进行静态建模,再建立级联式肘关节的名义模型,采用最小二乘参数辨识得到模型的参数。基于Luenberger干扰观测器设计了滑模控制律。分别采用PID控制、滑模控制和基于干扰观测器的滑模控制对肘关节位置跟踪进行仿真和实验,在仿人手臂末端夹持半瓶矿泉水作为负载和外界不确定性干扰,测试3种控制算法的性能。仿真和实验结果表明,基于干扰观测器的滑模控制位置跟踪精度和鲁棒性均优于滑模控制和PID控制。

柔顺控制是共融机器人研究的重点。针对级联式气动肌肉肘关节动力学模型,建立了以滑模位置控制为内环、触力导纳控制为外环的控制结构;设计了带干扰观测器的滑模控制器(SMCDO),证明SMCDO算法的收敛性;将环境等效为弹簧模型,设计了外环导纳控制器,并给出控制律。搭建实物测试平台,分别开展阈值力、力安全阈值测试以及碰撞测试,并分析了刚度系数对修正轨迹和接触力的影响。实验结果表明:关节柔顺性与刚度系数相关;SMCDO内环导纳控制精度优于无干扰观测器的滑模控制器内环导纳控制;所设计的控制算法稳定且有效。

基于人体关节运动机理和可重构理念,提出一种P(2-RPS)&U可重构康复机构,通过锁定运动副,改变动平台的运动方式,可以分别实现对人体肘关节、膝关节和踝关节的康复训练。分析了P(2-RPS)&U可重构康复机构的位置逆解,并基于螺旋理论分析了该机构的位置奇异性,得到机构的两个奇异位置,通过添加驱动的方式避免了奇异位置的发生。使用Adams软件对P(2-RPS)&U可重构康复机构进行运动学仿真,仿真结果表明,该机构能够较好地达到人体肘关节、膝关节和踝关节康复运动的范围,满足受损关节的康复需求。